具有造形表面的電磁波反射器,天線系統及表面測定方法
2023-07-20 23:53:16 2
專利名稱：具有造形表面的電磁波反射器,天線系統及表面測定方法
技術領域：
本發明涉及具有特定造形表面用於電磁波的反射器及具有帶造形表面的反射器的天線系統。這種具有造形表面的反射器已由現有技術所公知。
在EP0920076中就已描述了一種具有帶造形表面的反射器的天線系統，其中出自分開的輻射器的兩個射束被聚焦在不同的照射區域上。
在EP0915529中描述了一種可能性，即藉助具有造形表面的一個反射器由多個輻射器的多個射束形成一個單一的射束，該射束對準在一個照射區域上，其中多個輻射器通過一個合適的分配網互聯。
US4298877描述了一種具有造形表面的反射器，它用於將兩個射束聚焦在兩個不同的接收器(衛星)上。
US5684494提出了一種通過由兩個反射器組成的反射裝置來聚焦不同偏振的分開射束，其中每個反射器構作光柵反射器並僅對一個偏振方向起作用。
由現有技術各種的這些反射器僅是有限地適於應用，其中可實現用於對一個共同照射區域的發送方向及接收方向具有高效去耦的一種雙向射束，尤其是可與在發送方向及接收方向上使用相同的頻率和/或相同偏振的可能性相結合。但它迄今具有以下問題-在具有用於發送方向及接收方向共用的輻射器及使用一個反射器的簡單結構的情況下，在發送方向及接收方向之間的電磁輻射不能形成足夠的去耦。這必需通過附加的組件來產生，例如在分開的發送及接收頻率上的分頻器，如在通信技術中所常用的，或在相同發送及接收頻率上的環行器，如在雷達技術中所常用的。
-如果通過分開的輻射器來達到去耦，則需要昂貴的結構，如US5684494中的情況，需要多個反射器，但這限制了可使用的偏振方向，因為對於發送方向及接收方向必須給出不同的偏振方向。這就明顯地限制了可通過天線發送的數據量。
因此，本發明的任務在於，提供一種可能性，它允許在可傳輸最大數據量的情況下作到電磁波的去耦的雙向傳輸。
該任務將通過目前的權利要求1的特徵來解決。權利要求9包括一個天線系統，其設有一個根據本發明的具有造形表面的反射器。此外權利要求13包括用於測定反射器表面形狀的方法。
根據本發明，反射器的表面具有一個局部的造形，它這樣地構成，即反射器至少具有一組空間上分開的焦點，及出自該組焦點的射束通過反射器被瞄準到一個共同的照射區域上。但該反射器也可具有多組焦點，其中出自一組焦點的射束通過反射器被瞄準到一個共同的照射區域上。在此情況下，在該照射區域中可以聚焦到一個共同照射點、例如一個遠程接收天線上，但也可以在照射區域中的射束具有確定覆蓋的延伸，它在很大程度上可與照射區域的形狀，例如地面的一部分適配。在相反的射束方向上，即由照射區域出發到焦點的方向上，在該第一構型的情況下，可聚焦到所有焦點上，由此接收器基本上可被布置在每個焦點上。這裡發送器的瞄準作用或聚焦作用與射束的頻率或偏振無關。
在本發明的一個進一步構型中，設置了反射器的頻率選擇作用，即對於不同的頻率或頻帶可得到不同的焦點位置，或在不同的頻率或頻帶時增強空間分離，這裡出自一組焦點的射束接著通過反射器被瞄準到一個共同的照射區域上，而在相反方向上，每個頻率或頻帶僅被聚焦到各焦點中的一個上。因此用於確定頻率或確定頻帶的接收器可被設置在相應的焦點上。
在一個工作狀態中反射器可用於一方面，使出自一個焦點上的一個發送器的射束瞄準到照射區域上，另一方面，使出自照射區域的射束瞄準到一個焦點上。這種發送器及接收器的名稱應比輻射器更普遍地使用。並且在功能上輻射器可能有不同於發送器及接收器的方案a)非頻率選擇的反射器表面形狀
從各設在一個焦點上的每個輻射器出發的射束通過反射器被瞄準到照明區域上。相反方向的射束被聚焦到所有焦點上。這時發送的輻射器也同時用作接收器。在另外焦點上的輻射器則將工作在另一頻率上。聚焦在各焦點上的射束的接收可通過不同於原來接收器的輻射器來進行，而不會對該另外的輻射器有不利的影響，因為一方面要進行輻射器特定頻率的校整，及另一方面接收功率通常比輻射器的發送功率低得多。
但是如果除發送的輻射器外還設有作為另一焦點上的接受器的一個分開的輻射器時，則也聚焦在其焦點上的接收射束同樣對發送輻射器無影響，因為仍是接收功率通常遠低於輻射器的發送功率。
b)頻率選擇的反射器表面形狀為此使用了在一個焦點上設置一個輻射器，它僅作為一定頻率上或一定頻帶中的發送器，而在另一焦點上設置另一輻射器，它僅作為對另一頻率或另一頻帶的接收器。一個接收的射束通過反射器頻率選擇功能僅被聚焦在該接受器上。
可以設計，各個電磁波射束具有不同的偏振。因此除通過多個焦點的空間分離外還可實現進一步去耦。但另一方面，也可設計，配置於不同焦點的射束具有相同的偏振方向。因此根據本發明的反射器具有這樣的優點對於具有任意偏振方向的電磁波的去耦傳輸僅需要一個反射器。因而根據本發明的裝置具有比現有技術更好的簡單性及效果。
現在可這樣來設計反射器的造形表面反射器僅具有兩個焦點，以使得出自設在這些焦點中的兩個空間上分開的輻射器的電磁波射束、例如不同頻率或頻帶射束被瞄準到一個共同的照射區域上。因此在此情況下實現了反射器結構僅適配於兩個射束源。
但是反射器的表面造形也可這樣地適配，即反射器具有多於僅兩焦點，由此可使用多於僅兩個輻射器，它們的射束被聚焦到相應的照射區域上。可以設置多組空間上分開的輻射器，其中反射器的表面造形被這樣地設計，即由第一組空間上分開的輻射器發出的電磁波射束、例如具有不同頻率或頻帶的射束被聚焦到第一共同照射區域上，及由第二組或必要時另外組的空間上分開的輻射器發出的電磁波射束被聚焦到第二共同照射區域上。在此情況下，每一個組可包括兩個或多個輻射器。每組的各個輻射器彼此例如可用不同頻率或頻帶工作，而各個頻率或頻帶在所有組中可並列地被使用。當然也可在一組內對多個輻射器使用相同頻率，如以上所描述的。
尤其是該反射器可具有單個表面區域，該區域一個對照射區域及必要時對一個頻率或頻帶起作用。因此，不一定要整個反射面這樣地設計，即整個地對單個射束起到所需的聚焦作用。對此也不一定需要通過單個射束對整個反射器完全照射。而該照射被限制在對一定的照射區域及必要時對一定的頻率或頻帶起作用的表面區域上。這可實現對於各個頻率或照射區域的反射器表面的進一步優化。
反射器還可具有用於實現在與照射區域相鄰的區域中起隔離作用的表面區域。這種隔離作用用於進一步降低各個照射區域上的照射，及進一步降低在照射區域的相鄰部分、尤其在照射區域之間可能有的幹擾雜散照射，例如是旁瓣或射束的交叉極化分量引起的。由此也可使與照射區域相鄰的並在任何情況下應避免照射的一定區域變小。如果為此目的設置分開的反射表面區域，則可使它與反射器另外的表面區域進一步無關地被優化，以便以儘可能理想的方式實現所需功能。但也可為此目的，利用同時對相鄰的照射區域及必要時對另外頻率或頻帶起作用的表面區域。
反射器的表面造形例如可這樣地設計，即反射器的表面構成一個平面或曲面，其中該面上覆蓋由突起及下凹組成的局部細緻結構。因此反射器的反射作用一方面可通過反射器表面的整體造形(平的或彎曲的)來確定，另一方面對於照射區域或隔離區域及必要時也對於各個頻率或頻帶的反射作用可通過反射器表面的局部造形來適配或優化。
反射器表面可類似分級結構，具有不同量級的多級細緻結構。因此，該整體表面結構可具有覆蓋了第一較小量級的第一局部表面結構及覆蓋了亦為較小量級的第二局部表面結構的整體表面結構。並還可以覆蓋另外一些級的局部結構，後者每個具有變小的量級。
此外本發明還包括一個天線系統，該天線系統設有根據本發明的具有造形表面的反射器。在這樣一個天線系統中設有至少一組第一和第二輻射器。其中該組的第一輻射器與第二輻射器在空間上分開地布置。以下將從第一組的第一輻射器及第二輻射器出發，但並不限制其普遍性。第一及第二輻射器各布置在反射器的一個焦點上，以使得第一及第二射束從第一及第二輻射器出發被瞄準到一個共同的照射區域上。在此情況下第一輻射器起發射機作用及第二輻射器起接收機作用。由此就得到一種能以簡單方式去耦及在雙向上傳輸電磁波的天線系統。
在該天線系統的進一步構型中可考慮第一輻射器被設計成用於具有第一頻率或第一頻帶的射束，及第二輻射器被設計成用於具有與第一頻率不同的第二頻率或與第一頻帶不同的第二頻帶的射束。對此的應用例如為，在通信技術中使用這種天線系統，其中對於發送方向使用第一頻率或第一頻帶，對於接收方向使用第二頻率或第二頻帶。
現在可考慮，第一及第二輻射器的每個及反射器的表面結構被這樣地設計，即每個輻射器照射到整個照射區域。因此設置了一種簡單的裝置，它對於一個照射區域僅設有一個發送方向上的輻射器，尤其是使用一定的頻率或一定的頻帶，及僅用另一輻射器作為接收器，尤其是使用另一頻率或另一頻帶。原則上，當然可設置多於兩個的輻射器，其中尤其可考慮，對於每個輻射器設計使用與其它輻射器不同的頻率或不同的頻帶。
在本發明的天線系統中也可設置各個輻射器的多組。其中第一組設有第一及第二輻射器，它們的射束被瞄準到第一照射區域上。各個輻射器可對於不同的頻率或頻帶設計。此外至少設有第二組輻射器，它們的射束被瞄準到與第一照射區域不同的第二照射區域上。並且第二組的輻射器可對於不同的頻率或頻帶設計，其中可使用相同頻率或頻帶的各組。原則上也可使用多於兩組的輻射器，在此情況下，可設置第一及至少另一空間上彼此分開的組。其中每一組包括至少兩個單獨的輻射器。
以下將描述用於測定反射器表面結構的一種方法，該反射器具有至少一組空間上分開的焦點，其中出自一組焦點的電磁波射束通過反射器被瞄準到一個共同的照射區域上。該方法例如可藉助電腦程式以仿真方式或通過反射器的重複造形來實現。
將從用於反射器的一個球面結構(例如彎曲成拋物面)出發對於至少兩個不同頻率的射束的一個預定位置來確定反射器的反射功能。接著，通過至少具有第一相對粗量級的反射器表面的第一局部變化，即通過構成反射器球面結構上的突出及下凹這樣地改變反射器的反射功能，即對於各個輻射器的位置實現其射束在照射區域上的粗定向作用，即在第一粗步驟中，力圖作到在輻射器位置上構成空間上分開的焦點。
最好在優化反射功能的第二步驟中實現反射器表面的第二細局部結構，但現在用覆蓋在第一局部結構上的較小尺寸，即在已形成的粗突出及下凹上構成細緻的突出及下凹。該優化這樣地進行，即從輻射器到共同照射區域上的射束的定向作用被改善，即在輻射器位置空間上分開的焦點的構成被優化。
在需要時，該反射器表面的局部結構可在另外步驟中用更細的結構量級重複地進行下去，以便達到儘可能好的結果。由此我們得到一種具有不同量級的不同結構的分級式反射器表面結構。
在上述優化步驟中，輻射器的空間位置及其定向，即它們彼此及相對反射器的位置也可變化，由此使被輻射器照射的反射器區域的位置及大小可以改變。這樣就可保證，在任何情況下可對各個優化步驟找到全局的優化。
以下將藉助
圖1至5來描述本發明的一個實施例。附圖為圖1根據本發明天線系統的概要示圖圖2根據本發明的一個反射器被多個輻射器照射的概要示圖圖3根據本發明的一個反射器的表面的概要示圖；圖4通過根據本發明的天線系統實現的照射區域及隔離區域的概要示圖。
圖1表示根據本發明的一個天線系統，如可用於通信技術中，譬如可整體地安裝在一個地面站還通信衛星中。其中該天線系統具有一個帶造形表面1的反射器。一個輻射器4a,4b的組2被這樣地布置，即在發送狀態該反射器至少部分地被照射。在此情況下，輻射器4a,4b對於彼此不同的頻率或頻帶來設計。此外輻射器4a,4b在空間上彼此分開地布置。輻射器4a,4b被布置在反射器1的兩個焦點10a,10b上，以使得出自輻射器4a,4b的射束5a,5b被反射器1的表面反射並瞄準到一個共同的照射區域3。當譬如該天線系統應用在一個通信衛星的情況下，該照射區域可位於地表面。
但也可考慮，不是兩個輻射器作為發送器工作，而僅是輻射器4a作為發送器工作。輻射器4b相反地作為接收器。在此情況下，相關的射束5b不是從輻射器4b到照射區域3，而是在相反方向上行進。反射器1通過表面的相應局部造形被設計成可頻率選擇的反射器，以使得出自照射區域3的射束5b僅被聚集到在其上布置輻射器4b的那個焦點10b上。
圖2表示由多個輻射器對具有造形表面1的反射器的表面9的照射。這裡設有兩個輻射器組2,20，其中第一組2由輻射器4a,4b組成，它們被布置在反射器1的第一焦點組10a,10b上，第二組20由輻射器40a,40b組成，它們被布置在第二焦點組110a,110b上。第一輻射器組2發送射束5a及接收射束5b，其中這兩個射束5a,5b具有彼此不同的頻率或頻帶。類似地，第二輻射器組20發送射束50a及接收射束50b，這兩個射束也。具有彼此不同的頻率或頻帶。但是這兩個輻射器62,20的射束5a,5b,50a,50B可具有彼此相同的頻率或頻帶。因此，譬如射束5a可具有與射束50a相同的頻率或頻帶。相應地這也適合兩個射束5b及50b。
此外，各個射束可具有任意的偏振。因此，譬如射束5a,5b可具有相同的偏振，而不會影響系統的功能。
這兩個輻射器組2,20這樣地相對反射器1或它的表面布置，即在發送狀態下，每個輻射器4a,4b,40a,40b主要照射反射器的一定表面區域6a,6b,60a,60b。因此這每個表面區域6a,6b,60a,60b幾乎僅對一定的照射區域3a,3b及對一定的頻率或一定的頻帶起作用。在相反的射束方向的情況下，這也相應地適用，因為這兩個射束方向受到反射器相應方式的影響，即具有互易的性能。
圖3也表示反射器的表面造形。其中該反射器表面具有一個整體造形，在圖1的情況下，該整體造形是一個輕微的拋物曲面。此外反射器表面9具有一種局部造形，它通過不同量級的局部突出及下凹構成。在此情況下，在具有第一量級的粗的突出及下凹上覆蓋了具有較小量級的另外細的突出及下凹。這些局部的突出及下凹尤其位於對各個照射區域3a,3b或相關的頻率或頻帶起作用的結構區域6a,6b,60a,60b中。此外，在圖3中表示出反射器表面9的一個附加結構區域7，通過它可引起一個隔離區域8的產生。在此情況下，該隔離區域用於遮蔽地面12的一部分，如圖4所示。相反地，結構區域6a用於使射束5a瞄準到相關的照射區域3a，這同樣表示在圖4中。結構區域6b用於使出自相關照射區域3a的射束聚焦到焦點10b上的輻射器4b上。類似地，結構區域60a及60b用於使射束50a瞄準到第二照射區域3b及使射束50b瞄準到輻射器60b上。
進一步的隔離功能是必須的，由此使瞄準照射區域3a及3b的射束實際上僅照射到相應的照射區域上，而不會瞄準到相鄰的照射區域上，在相鄰的照射區域上它們將會引起幹擾。該隔離也可如上所述地通過反射器表面的相應適配來達到。如果象在此例子中照射區域3a的照射通過反射區域6a,6b來實現，並存在其散射射束也到達3b的危險，則反射器區域60a,60b除上述功能外將如此地適配，即在反射器1上出現的將到達反射器區域60a,60b的射束5a的散射射束通過這樣的方式被瞄準到照射區域3b上它們與從反射器區域6a,6b照射到照射區域3b上的散射射束形成相消幹擾，及由此使照射區域3b中的有效散射射束實際為零。類似地，這也適用於對區域3b的照射及由此在照射區域3a中引起的散射射束。
權利要求
1．具有造形表面的電磁波反射器，其特徵在於反射器(1)的表面具有一個局部的造形，它這樣地構成，即反射器(1)至少具有一組空間上分開的焦點(10a,10b,110a,110b)，及出自一組焦點(10a,10b,110a,110b)的電磁波射束(5a,5b,50a,50b)通過反射器(1)被瞄準到一個共同的照射區域(3,3a,3b)。
2．根據權利要求1的反射器，其特徵在於反射器(1)至少具有兩個第一焦點(110a,110b)組成的第一組，其中出自第一焦點(10a,10b)的射束(5a,5b)被瞄準到第一照射區域(3,3a)上。
3．根據權利要求2的反射器，其特徵在於反射器(1)有兩個第二焦點(10a,10b)組成的第二組，其中出自第二焦點(10a,10b)的射束(50a,50b)被瞄準到第二照射區域(3b)上。
4．根據權利要求1至3中一項的反射器，其特徵在於反射器(1)具有單個的表面區域(6a,6b,60a,60b)，它們各對照射區域(3,3a,3b)起作用。
5．根據權利要求1至4中一項的反射器，其特徵在於反射器(1)具有單個的表面區域(7)，它能實現與照射區域(3,3a,3b)可相鄰的區域(8,3b,3a)中的隔離作用。
6．根據權利要求1至5中一項的反射器，其特徵在於反射器(1)的表面的局部造形是這樣設計的，即焦點(10a,10b,110a,110b)的空間位置與頻率有關。
7．根據權利要求1至6中一項的反射器，其特徵在於反射器(1)具有單個的表面區域(6a,6b,60a,60b)，它們各對照射區域(3,3a,3b)及一個頻率或一個頻帶起作用。
8．根據權利要求1至6中一項的反射器，其特徵在於反射器(1)具有一個整體的表面造形，它被具有變小量級的多個局部表面造形重迭地覆蓋。
9．設有根據權利要求1至8中一項的具有造形表面的反射器及設有至少一個具有至少一個第一和至少一個第二輻射器(4a,4b,40a,40b)的組的天線系統，其中第一輻射器(4a,40a)與第二輻射器(4b,40b)空間上分開地布置，及第一和第二輻射器(4a,4b,40a,40b)各布置在反射器(1)的一個焦點(10a,10b,110a,110b)上，以使得第一及第二射束(5a,50a,5b,50b)從第一及第二輻射器(4a,4b,40a,40b)出發被瞄準到一個共同的照射區域(3,3a,3b)上。
10．根據權利要求9的天線系統，其特徵在於第一輻射器(4a,40a)被作成發射機及第二輻射器(4b,40b)被作成接收機。
11．根據權利要求9或10的天線系統，其特徵在於第一輻射器(4a,40a)被設計成用於具有第一頻率或第一頻帶的射束(5a,50a)，及第二輻射器(4b,40b)被設計成用於具有第二頻率或第二頻帶的射束(5b,50b)。
12．根據權利要求9至11中一項的天線系統，其特徵在於設有第一組(2)輻射器(4a,4b)，它被這樣地布置，即出自輻射器(4a,4b)的射束(5a,5b)被瞄準到第一照射區域(3a)上，及設有第二組(20)輻射器(40a,40b)，它被這樣地布置，即出自輻射器(40a,40b)的射束(50a,50b)被瞄準到第二照射區域(3a)上，其中第一組(2)及第二組(20)在空間上彼此分開地布置。
13．根據權利要求9至12中一項的天線系統，其特徵在於第一及第二輻射器(4a,40a,4b,40b)的每個被這樣地布置及反射器(1)的表面造形被這樣地設計，每個輻射器(4a,40a,4b,40b)照射整個照射區域(3,3a,3b)。
14．用於測定一個反射器(1)的表面造形的方法，該反射器(1)至少具有一組空間上分開的焦點(10a,10b,110a,110b)，及出自一組焦點(10a,10b,110a,110b)的電磁波射束(5a,5b,50a,50b)通過反射器(1)被瞄準到一個共同的照射區域(3,3a,3b)上，其中從用於輻射器(4a,4b,40a,40b)的確定位置的反射器表面的整體基本結構出發，在多個交迭的步驟中通過構成局部突出及下凹這樣地改變該反射器的局部表面結構，即達到使射束(5a,5b,50a,50b)聚焦到一個共同的照射區域(3,3a,3b)上。
15．根據權利要求14的方法，其特徵在於除反射器表面的局部變化外，輻射器(4a,4b,40a,40b)相對反射器的位置也進行變化。
全文摘要
本發明涉及一種具有造形表面的電磁波發射器,其中反射器(1)的局部造形這樣地構成,即反射器(1)具有多個空間上分開的焦點(10a,10b,110a,110b)。由此可使出自空間上分開的輻射器(4a,4b,40a,40b)的電磁波射束(5a,5b,50a,50b)、尤其是具有不同頻率或頻帶的電磁波射束通過照射反射器(1)被瞄準到一個共同的照射區域(3,3a,3b)上。
文檔編號H01Q19/195GK1289158SQ0012685
公開日2001年3月28日 申請日期2000年9月6日 優先權日1999年9月20日
發明者諾伯特·拉特考恩, 麥可·特魯姆佩, 克裡斯蒂安·亨舍爾, 羅伯特·塞庫拉 申請人:戴姆勒-克萊斯勒股份公司